北京市夏季屋顶菜园设计及自动化灌溉技术应用

【摘要】屋顶菜园是屋顶绿化的重要方面，夏季屋顶菜园存在费工费水，管理难度大的问题，通过集成基质根区改造和应用太阳能自动灌溉测控一体化设备实现了屋顶菜园的智能化水分管理，达到了節水省工的目的。

屋顶绿化是指在楼顶、阳台和露台等离开自然土壤的建筑物顶面上进行的植物栽培，包括屋顶绿化、垂直绿化及市民家庭在自家屋顶上或阳台上设立小花园、小菜园、小果园、小草药园等。如果选择种植具有经济价值的蔬菜、水果乃至药材，则不仅有利于美化环境，还可收获一定数量的农产品。

由于城市规模的快速发展，北京市的水资源和可用于绿化的土地资源短缺，在城市用地紧张，地价昂贵的情况下，开发屋顶绿化技术对于缓解北京市绿化土地资源紧缺和改善生态环境具有重要作用。此外，屋顶绿化还可以为屋顶提供额外的保温和隔热作用，达到降低夏季室内能耗、增加空气湿度的作用，并有吸收空气中污染气体、降尘等作用。以北京市现有屋顶面积2亿m2计，若10%进行屋顶绿化，则绿化面积应达2000万m2。因此，北京市发展屋顶绿化潜力巨大。

随着环境意识的增强，屋顶绿化在国外方兴未艾。例如瑞士鲜花小镇尼永城内从建筑的外墙到屋顶到处都是鲜花和绿植，整个小镇就是一片花海。漫步其中，犹如进入画境，屋顶绿化成效显著。尽管中国和瑞士气候特点不同，但发展北京特色的智能化屋顶花园，对于改善北京空气质量，也将起到重要作用。为此，试验尝试在北京楼顶应用智能水肥一体化新技术改善根区水肥供应种植蔬菜，利用测控一体自动灌溉新技术来克服根区水分供应的生长障碍，实现屋顶蔬菜栽培的科学管理和省水省力。

北京地区地处暖温带南端，气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，昼夜温差大，日照充足、雨量较少，呈现出夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，年平均气温13.3℃。极端天气最低温度为零下27.4℃，极端天气最高温度为42℃以上。全年无霜期180～200天，降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在夏季6～8月份。因此北京气候特点为春季冷暖空气活动频繁，气温多变，日较差大，易发生大风、沙尘天气；夏季炎热多雨，是雷暴、大风、强降水等对流性天气的多发季节；秋季晴朗少雨，舒适宜人；冬季寒冷干燥、多风少雪。与地面相比，高层屋顶具有光照强、温度变化快、风速大、土层薄、水分易蒸发等特点，在植物选择上受到一定限制，对水分灌溉频度要求较高。

材料与方法

试验地点

高层屋顶光照强、风速大、土层薄、水分易蒸发等特点限制了栽培植物的类型，特别是耗水量大的蔬菜不易栽植，在植物选择上受到一定限制，因此屋顶绿化大多数植物均选择高度小、根系浅、抗风、耐寒耐旱易管理的种类，而大多数蔬菜品种不符合这些特点，因而建立屋顶菜园难度较大。要想建立屋顶菜园，必需考虑配套灌溉设施。试验于2016年5～10月，在北京市丰台区南四环西路188号3区2号楼中电投远达环保工程有限公司的7层楼顶进行，楼顶东西长16 m，南北宽12 m，总面积约192 m2。

试验材料

蔬菜品种

屋顶花园常用的绿化植物主要为景天科植物、葱类植物、菊科植物等耐旱保水植物，如佛甲草、垂盆草、三七景天、八宝景天等。然而长时间、大面积的栽培某种植物，会导致群落结构脆弱，从而造成植物退化、病虫害增加等情况，使植物大面积死亡。此外，以上植物均属绿化植物，基本没有食用价值和经济价值。而在屋顶种植蔬菜不仅具有绿化效果，还可以满足城市居民采摘新鲜蔬菜的需求，有明显的经济价值，因此该设计方案选择蔬菜作物构建屋顶菜园，蔬菜品种类型包括速生低矮的韭菜、小白菜等叶菜以及栽培期较长且连续采收的番茄、辣椒类果菜类园艺作物进行栽培。

栽培基质

由于屋顶的承重能力有限，屋顶绿化的基质不能直接采用容重较大的园田土，需要人工专门配制重量轻，易于搬运的栽培基质，对基质的要求是环保、吸水保水、适气性好、保肥供肥和pH适宜。为此试验采用园田土﹕草炭﹕蛭石体积比为5：3：2的栽培基质，并适当增施有机肥的方法，既降低了栽培成本，又改善了植物的根区环境，特别是在根区增施的草碳蛭石基质在一定程度上提高了根际的保水保肥性。

试验方法

由于屋顶植物基质浅，保水能力差，养分容易流失，加上屋顶绿化的下垫面大都是混凝土，且屋顶日照强度大、风力大，植物蒸腾作用强烈，导致栽培基质容易缺水，因此，试验采用太阳能供电的智能膜下自动滴灌系统可根据土壤水分含量值的变化随时供水来解决供水问题，同时还具有保水、节水效果。

应用的栽培技术

温室育苗

针对北京地区早春气候不稳定的特点，对番茄、辣椒等果菜类蔬菜采取在日光温室内4月初进行基质穴盘育苗，保证幼苗生长的温光水肥条件，待蔬菜苗生长健壮后，5月份直接定植即可使植物根系发育良好，迅速获得获取水分的能力。

根区基质改良

为了解决屋顶土壤栽培土层薄、保水性差的问题，在原有栽培土基础上，按体积比增加施用草碳及蛭石，在园田土栽培槽中部开挖“V”形沟，填入保水性良好的草炭：蛭石体积比为3：2的栽培基质以改善根区环境，提高基质的保水保肥性，然后将果菜穴盘苗栽培到草碳蛭石基质中。

铺设地膜及膜下滴箭

在栽培基质槽表面铺设黑白双面膜（白面向上，黑面向下）以对栽培基质进行保湿，防止水分蒸发的同时还能降低白天地温，这样不仅保温保湿效果良好，而且还可防止杂草滋生。可将滴箭与水分传感器同时插至植株根区附近。

太阳能肥水一体化自动灌溉

屋顶蔬菜栽培直接使用自来水为灌溉水源，在水源端加设手动开关和电磁阀开关，智能灌溉时手动开关打开即可。由于屋顶蔬菜栽培，蒸腾耗水多，因此如何及时灌溉是保证蔬菜正常生长的关键。为此试验应用了美国ANC公司上海艾美克生产的GC001C太阳能自动灌溉控制器（图1），此灌溉控制器可根据设置的土壤湿度上下限，自动控制电磁阀的开关，与滴灌管系统配套使用，实现节水科学灌溉，设备所有供电均由太阳能光伏发电后充入电池提供。该控制设备是在滴灌系统供水系统前端安装太阳能自动灌溉控制器包括水分传感器、电磁阀、电池及太阳能板充电装置。其工作原理是土壤湿度传感器周期性采集土壤水分数据，送到灌溉控制主机，控制主机根据收到的数据，自动分析基质含水量值的范围，当基质水分低于设定值35%时，将开启电磁阀开关，对栽培基质进行灌溉，当水分含量达到上限值43%后，则停止灌溉，从而通过对蔬菜根区供水的科学管理实现了节水省工高效。

应用效果与结论

2016年夏季通过应用新技术改进屋顶菜园栽培管理实际应用（图2），基于基质栽培与智能灌溉新技术的屋顶菜园设计方案在生产应用中取得了良好的应用效果，在保证蔬菜正常生长水分需求的同时，具有省水省工，降低人工成本等优势，此外，该技术的智能化改造投入并不高，仅1000多元。实践结果表明，蔬菜生长旺盛，收获了较多的蔬菜产品。

由此可见，在屋顶菜园中应用智能化自动灌溉控制水分供应结合基质栽培，可以保证屋顶菜园的水分供應，克服人工灌溉供水不及时、灌溉量过多等问题，解决屋顶菜园植物灌溉管理的问题，实现屋顶蔬菜的正常生产，表明应用测水灌溉控制技术可以实现对屋顶园艺作物水分的按需供应，同时结合根区栽培基质改良和地膜覆盖，提高了保水蓄水性，可以保证蔬菜植物的正常生长。在实际应用中，屋顶绿化多采用园艺耐旱植物，但由于北京干湿分明，如果完全依靠雨水灌溉，无法满足植物需要，凭经验人工灌溉，又费工费水，因此采用精准测水灌溉技术，扩大了屋顶栽培植物的种类范围和面积。使屋顶植物栽培不仅适用于花卉、草坪等园艺植物栽培，还可用于蔬菜栽培。屋顶菜园设计方案扩展了城市屋顶绿化的植物种类，为屋顶绿化应用开辟了新途径，有助于在城市中更广泛地推广应用屋顶绿化技术。

参考文献

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项目支持：北京市农委农业科技项目（20160149），中国保加利亚政府间科技合作项目（15-8）和农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室资助项目。

通信作者：贺超兴（1965-），男，陕西铜川人，研究员，研究方向：设施蔬菜栽培。

[引用信息]熊乐歌，贺超兴.北京市夏季屋顶菜园设计及自动化灌溉技术应用[J].农业工程技术，2017，37（34）：69-71.